Senzory na oxidy kovů měří znečištění mikroplasty

Detekce mikroplastů se dlouho spoléhala na laboratorně náročné metody, jako je spektroskopie s Fourierovou transformací. Tyto postupy jsou sice přesné, ale náročné na zdroje i čas, a jsou obtížně škálovatelné pro průběžné monitorování. Výzkumníci z Národní univerzity v Jeonbuku v Jižní Koreji proto zkoumají alternativu: elektrochemické senzorové platformy založené na elektrodách z oxidů kovů.

Tyto systémy nerozpoznávají plasty podle optických vlastností, ale detekují změny v elektrickém chování, když se částice mikroplastů dostanou do kontaktu s upraveným povrchem elektrod. Tento přístup posouvá detekci od složitých laboratorních procesů k rychlejším a jednodušším měřicím systémům.

K potvrzování znečištění mikroplasty sloužila dlouho tradiční spektroskopie. Ta ale vyžaduje přípravu vzorků, specializované přístroje i vyškolený personál, což je při stále intenzivnějším výzkumu mikroplastů méně a méně dostatečné. Elektrochemické senzory však fungují jinak. Když se mikroplasty dotknou upravené elektrody z oxidu kovu, mění její celkový odpor elektrického obvodu a vyvolávají měřitelné proudy. Tyto elektrické signály lze sledovat takřka v reálném čase, což snižuje závislost na centrálních laboratořích.

Pro vodohospodáře, úřady i průmyslové podniky by to mohlo znamenat pohodlné a rychlé testování přímo v rizikových místech, ať už u odtoků odpadní vody, v zařízeních na úpravu pitné vody nebo na mořských měřicích stanicích. Měření výskytu mikroplastů se tak může změnit z dodatečného ověřování na průběžný monitoring.

Výkon senzorů závisí podle vědců na výběru materiálů a úpravě povrchu. Oxidy kovů jako oxid zinečnatý, oxid titaničitý či oxid cerčitý nabízejí velkou plochu a dobré elektrické vlastnosti, díky čemuž reagují i na stopová množství plastů.

Klíčovou roli hraje také tvar elektrody. Nanostruktury, jako například nanodráty, porézní vrstvy či nanotyčinky, fungují jako jakési pasti pro mikroplasty. Vytvářejí zóny, kde signál oproti hladkým povrchům výrazně zesílí.

Hydrofobní povlaky lze zase nastavit tak, aby přitahovaly běžné polymery jako polyetylen či polypropylen, což je ideální pro složité prostředí jako mořská voda nebo průmyslové odpadní vody. Tyto polymery samy o sobě odpuzují vodu, takže „přilnou“ na hydrofobní povrch elektrody. Díky těmto prvkům lze senzory přizpůsobit konkrétnímu použití.

„Senzory na bázi oxidů kovů budou brzy integrovány s technologiemi internetu věcí a umělé inteligence. V následujících několika letech se očekává, že široké přijetí této nové technologie nové generace otevře cestu ke zlepšení ochrany veřejného zdraví, zvýšení bezpečnosti potravin a důvěry spotřebitelů, urychlení technologických inovací a růstu zeleného průmyslu, rozsáhlému interdisciplinárnímu vzdělávání a výzkumu, stejně jako globální environmentální odolnosti a adaptaci na klimatické změny,” uvedla ve zprávě univerzity vědkyně Sadia Ameenová z katedry bio-konvergenční vědy univerzity v Jeonbuku.

Elektrochemické senzory se podle vědců stávají vysoce slibnou metodou pro detekci mikroplastů díky své vynikající citlivosti, selektivitě a potenciálu miniaturizace. Tato technika využívá výrazné elektronové vlastnosti mikroplastů v přítomnosti elektrického pole. Analýzou elektrochemických vlastností smíšených částic z hlediska proudu, elektrického odporu a impedance je možné současně identifikovat a určit nejen přítomnost, ale také velikost částic.

Elektrochemické senzory pro detekci mikroplastů jsou založeny na různých principech, včetně voltametrie, impedanční spektroskopie a konduktometrie.

Mikroplasty (částice o velikosti 1 mikrometr až 5 milimetrů) lze snadno zachytit běžnými optickými nebo spektroskopickými metodami, protože jsou dostatečně velké. Na rozdíl od nich nanoplasty (menší než 100 nanometrů) se rychle pohybují v prostoru díky vysoké difuzivitě a snadno se shlukují nebo ulpívají na okolních látkách.

Tyto vlastnosti nanoplastů ztěžují jejich oddělení a zachycení – signál v analytických přístrojích často slábne nebo mizí úplně. Proto nanoplasty vyžadují vysoce citlivé přístroje a speciální úpravu vzorků, zatímco pro mikroplasty postačí standardní postupy.

Obvyklé metody

Nejčastěji používaná je Fourierova infračervená spektroskopie (FTIR). Funguje tak, že zachytává, jak materiál pohlcuje infračervené světlo v místech typických pro určité chemické skupiny v polymerech. Moderní mikro-FTIR systémy automaticky mapují a identifikují částice až o velikosti 10–20 mikrometrů. Skvěle slouží při analýze vody, sedimentů, půdy nebo tkání, ale částice menší než 1 mikrometr nejsou vidět. Spektra různých plastů se mohou překrývat a organická hmota v přírodních vzorcích ruší měření, takže je nutná pečlivá příprava vzorků, což může zkreslit výsledky. Proces je navíc pomalý u velkého množství částic.

Další běžnou metodou je Ramanova spektroskopie. Tato technika využívá rozptyl laserového světla, kdy částice vrací informace o svých molekulárních vibracích. Nabízí lepší rozlišení než FTIR – detekuje až 1 mikrometr velké částice – a je ideální pro pitnou vodu, mořské plody nebo atmosférický prach. Spojená s konfokální mikroskopií ukazuje trojrozměrné rozložení částic v tkáních, což pomáhá pochopit, jak pronikají do organismů. Problémem však je rušení fluorescencí z organických látek a absence jednotných databází pro identifikaci plastů mezi laboratořemi.

Další metody jako blízká infračervená spektroskopie (NIR) a hyperspektrální zobrazování zase rychle prověří větší mikroplasty nad 100 mikrometrů, což je užitečné pro systematické průběžné kontroly u velkých objemů materiálů. Pro menší částice však selhávají kvůli nízkému rozlišení a v složitých přírodních vzorcích klesá jejich přesnost.*

-kce-